医药工程中电气直流设备的选择及使用

2010-02-27陈彬

化工与医药工程 2010年6期

陈彬

（中国石化集团上海工程有限公司，上海 200120）

由于20世纪90年代发展起来的阀控型密封铅酸蓄电池直流系统具有性能稳定、运行可靠、维护工作量小、使用寿命长等特点；其充电装置具有微机调节和控制的全自动功能，且其绝缘监察、直流母线调压等辅助设施也均采用了微机自动控制，因此，成为了国内工程建设中电气直流设备的首选。

但随着大量直流系统新技术产品的广泛应用，由于相关工程技术及管理人员对此新型直流设备运行维护存在着认识上的误区，简单地认为充电设备是全自动的，阀控型密封铅酸蓄电池是免维护的，对相关的技术要求掌握不够精细、不熟悉，对直流设备的选择及维护不到位，使本应该独立运行的直流电源可靠性降低，给工厂装置的安全运行留下了隐患。因此，有必要进行一些有益的探讨。

1 实际工程中的直流设备系统的设置考虑

实际工程中直流设备系统的配置、选型及设计主要依据电力系统或国家电网公司的相关标准执行。主要分以下几方面。

1.1 系统电压选择

一般系统电压为110/220V，电压允许变化幅度根据正常运行、充电运行及事故放电不同情况，分别为105%、110%和87.5%。（适合控制/动力负荷混合输出——此为常用。）

1.2 蓄电池组选择

现多数采用阀控型密封铅酸蓄电池，小容量时也可采用高倍率镉镍碱性蓄电池。采用2组安装方式。

1.3 充电装置选择

配置2套高频开关模块型充电装置（N+1模式）已渐成主流。

1.4 接线方式选择

为满足运行中两段直流母线切换时不断电，往往要求2组蓄电池短时并联；在合联络断路器时应测量母线的电压以防环流损坏。特别需注意的是，直流电源系统一般为不接地的对地绝缘方式运行。

1.5 供电方式选择

直流分电柜的馈出线一般为放射式。

1.6 保护方式选择

直流系统的各个出口回路一般设直流断路器或熔断器。在不具备计算条件时，可使用如下原则（串级时）：

上一级为熔断器时，其额定电流为断路器的2倍；

上一级为断路器时，其额定电流为熔断器的4倍。

1.7 动稳定要求

由于工程中用户级变电所的蓄电池容量一般为500Ah及以下，根据经验，可按10kA短路电流考虑。

2 阀控型密封铅酸蓄电池直流系统的特殊要求

阀控型密封铅酸蓄电池因其具有对环境无污染、寿命长、易维护的优点而得到广泛应用，但其对温度的反应较灵敏，不允许过充电和欠充电，故有必要采取相应的措施应对，以期安全可靠的使用。

具体措施主要体现在其充电装置应采用微机型高频开关整流装置，提高充电质量和自动化水平；增加放电装置的自动开关，便于定期的充放电试验；全部采用直流自动空气断路器，提高直流回路的短路切断容量；采用能实时监视蓄电池的端电压和内阻的电池管理系统——微机型（实际工作中发现很多工程由于经费问题，此系统往往采用只监视电池组而不是每个电池的端电压。经常出现由于未能及时发现损坏的电池，而使整个系统的使用寿命及容量受到较大的影响。详细分析见下文相关部分）；设置可与电力SCADA系统连接的通讯/触点接口，便于远程监视。

3 核心部分——阀控型密封铅酸蓄电池的正确使用

阀控型密封铅酸蓄电池是变电所阀控型密封铅酸蓄电池直流系统核心组成部分，直流系统在正常运行时，充电装置承担经常负荷电流，同时向蓄电池组补充电，以补充蓄电池的自放电，使蓄电池以满容量的形式处于备用状态。在系统发生故障，所用电中断的情况下，蓄电池组发挥其独立电源的作用，向继电保护及自动装置、断路器跳闸及合闸、载波通讯、事故照明等提供直流工作电源。因此，阀控型密封铅酸蓄电池的电气技术指标及机械性能指标的优劣，都会影响到变电所阀控型密封铅酸蓄电池直流系统的可靠性。

对于广大工程技术人员来说，如何有效预防和排除阀控型密封铅酸蓄电池的常见故障，将更具有实际工作意义。

首先，在实际工作中常会遇到新的整组蓄电池充电时，个别蓄电池电压升高迅速并很快处于过充状态，导致整组蓄电池充电电压升高，充电电流下降，充电时间延长。这其实主要是生产厂家在生产时工艺不当，使正负极板跟玻璃纤维隔板中电解液脱离接触有关。但我们安装使用时往往会嫌麻烦，不做一次全容量的核对性放电试验以及时发现有问题的蓄电池，致使整组新电池都可能出现早期容量失效的风险。

其次，阀控型密封铅酸蓄电池的硫酸盐化的问题较为突出，特别是在工程交付前。表现为核对性放电时，蓄电池放不出额定容量。这是由于现场的施工及管理人员的不太重视类似问题，要么使蓄电池长期欠充电(浮充电压低于2.23～2.28V)或长期过充电(浮充电压高于2.23～2.28V), 要么出现深度放电。

其实，只要认真阅读设备厂家相关的产品安装指导，欠/过充电的情况很容易避免，虽说还是经常发生。然而，深度放电的出现由于其原因的多样性和隐蔽性，需要工程技术人员认真负责的工作，才能处理好。

蓄电池被“深度放电”是造成蓄电池的使用寿命被缩短的一个重要原因，这种情况极易发生在采用具有固定的“蓄电池电压过低自动关机”阀值设计方案的蓄电池自动关机保护电路UPS中（绝大多数中、小型UPS均采用此种设计方案）。当这种UPS被配置成长延时UPS供电系统（例如：4h/8h蓄电池后备供电时间），而且它们的后接实际负载量较小时，一旦市电停电，蓄电池就会被“深度放电”。对于UPS供电系统而言，当用户的后接负载量很轻时（所谓的“大马拉小车”现象），对UPS主机而言，肯定有利于降低逆变器的故障。然而，对于同UPS配套的长延时蓄电池组而言，则会因蓄电池被“深度放电”而造成蓄电池的实际使用寿命成10倍地被缩短。

当蓄电池的放电速率为0.6C，UPS的后接负载所需的蓄电池放电电流为蓄电池容量（Ah）数的60%时，一旦市电停电时，随着停电时间的延长，蓄电池的端电压降逐渐下降。当放电时间为62 min左右时，单元蓄电池的端电压降下降到它的“蓄电池电压过低自动关机”阀值1.67V（相对于2V蓄电池），从而迫使UPS进入自动关机状态，让蓄电池停止放电。而此时的“蓄电池电压过低自动关机”阀值比在0.6C放电速率下蓄电池所允许的临界关机电压值1.6V要高。所以，蓄电池此时处于正常放电状态，而被自动关机终止放电。

当蓄电池的放电速率为0.6C，UPS的后接负载所需的蓄电池放电电流仅为蓄电池容量（Ah）的16%时,即用户的负载很轻。一旦市电停电，而且让蓄电池一直放电到因“蓄电池电压过低”而自动关机时，此时，由于单元蓄电池的实际放电电压1.67V要比在0.16放电速率下所允许的临界放电电压1.75V要低，从而迫使蓄电池进入“深度放电”的状态，必将造成蓄电池组过早地报废失效。

从上面的分析可见，为了能最大限度地获得最长的“安全放电时间”而又不致于造成蓄电池被“深度放电”的关键是让蓄电池的“蓄电池电压过低自动关机电压”的阀值能随着用户的负载的大小而自动调整，并使它永远高于在该放电速率下所允许的临界放电电压值。近年来，由于数字信号处理技术和微处理器被广泛地应用，已研发出了能有效防止蓄电池被“深度放电”的蓄电池管理系统。但实际工作中遇到的UPS大多都未安装此设备，所以，有时过多考虑经济因素或为了商务上竞标的需要而舍弃重要的技术保障，可能往往会得不偿失。

既然现实如此，那就只能要求业主电气维护方特别注意做到周期性核对性放电作为补救措施。工程技术人员也应掌握此项技术，为新电池的正确使用提供技术保障。

核对性放电。按浮充电发生运行的铅酸蓄电池，其极板表面容易逐渐产生硫酸铅结晶体(一般称为“硫化”)，堵塞极板的微孔，阻碍电解液的渗透，从而增大蓄电池内阻，降低极板有效性活性物质的作用，从而导致蓄电池容量大为下降。为使蓄电池极板有效活性物质得到活化，容量得到恢复，延长蓄电池使用寿命，保证蓄电池有足够的容量，应按直流电源系统管理规范有关规定的周期和方法进行核对性放电工作。核对性放电的另一个作用是：长期按浮充电方式运行的阀控式密封铅酸蓄电池，从每一只电池的端电压判断电池的现有容量、内部是否失水和干裂时很难的，可靠的方法是通过核对性放电找出电池操作的问题，判断蓄电池的现有容量。其方法是蓄电池组脱离运行，以规定的电流恒流放电，只要其中一个单体电池放到规定的终止电压，应停止放电，按放电流与放电时间的积计算出阀控式密封铅酸电池组的实际容量。

而对新电池检验的具体方法为新安装的阀控式密封铅酸电池的补充电完成后，应进行全核对性放电试验，以考核蓄电池的容量。考核电流采用1.0I10恒流放电。标称电压为2V的电池，放电终止电压为1.8V；标称电压为6V的电池，放电终止电压为5.25V；标称电压为12V的电池，放电终止电压为10.5V。只要其中任一个蓄电池达到了终止电压，就应调整放电。最低电压放出容量应达到额定容量的95%以上。蓄电池放电后，应静置1～2h，再用1.0I10电流进行恒流限压充电→恒压充电→浮充电。阀控式密封铅酸蓄电池的容量考核应符合：在基准温度为25℃时，10h率容量应在第一次循环不低于0.95C10，第三次循环应达到C10的规定。

若蓄电池组放电容量合格，则经一个充放电循环即可投入运行，对放电容量达不到要求的蓄电池组，应按上述方法进行3次充放电循环，若达不到额定容量的100%以上，则此蓄电池为不合格，应更换。

4 阀控型密封铅酸蓄电池直流系统设备的选择与使用

4.1 电池的选择

如：某220 kV变电所220 V直流负荷为：经常负荷16 A；事故照明18.2 A；通信电源9.1 A；远动电源4.5 A；电流统计为47.8 A；1小时容量统计为47.8 Ah。

根据最高电压确定蓄电池个数= 1.05×额定电压/浮充电压=1.05×220/2.25 = 102.67 （取102个）；

蓄电池放电终止电压≥0.85×额定电压/蓄电池个数= 0.85×220/102 = 1.83 （V）；

蓄电池容量选择=1.4×47.8/容量系数 a = 1.4× 47.8/0.656=102 (Ah)；

若此时需要重合闸操作，则需增加容量 = 1.4 ×117.6（合闸电流）/容量系数 b = 1.4×117.6/1.27 =129.64 (Ah)；

则总量为= 102+129.64 = 231.64 (Ah)；可选择阀控型密封铅酸蓄电池容量C10 = 300Ah。注：容量系数根据所选的电池不同而不同；容量系数a取放电时间1 h，容量系数b取放电时间5 s。

4.2 直流断路器及载流导体的选择

4.2.1 直流系统直流断路器的选择

在直流回路中，断路器是直流系统各出线过流和短路故障主要的保护元件，可作为馈线回路供电网络断开和隔离之用，其选型和动作值整定是否恰当以及上下级之间是否具有保护的选择性配合，直接关系到能否把系统的故障限制在最小范围内，这对防止系统破坏、事故扩大和主设备严重损坏至关重要。

由于变电所内直流系统最多为一、二级，且现在多数配以断路器保护，故上下级配合相对简单，级间配合一般取短延时0.2 s。但也应注意不能使交、直流断路器混用。因为，交、直流的燃弧及熄弧过程不同，额定值相同的交、直流断路器开断直流电源的能力并不完全相同，用交流断路器代替直流断路器或交、直流断路器混用是保护越级误动的主要原因。

断路器瞬时动作采用磁脱扣原理，判据为通过的电流峰值，断路器标定的额定值为有效值，而交流电的峰值高于有效值，在相同定值下，在直流回路中交流断路器实际额定值高于直流断路器。另外，因交流断路器与直流断路器灭弧原理不同，交流断路器不能有效、可靠地熄灭直流电弧，容易造成越级动作。

实际选择方法如下：

（1）充电装置输出回路直流断路器的选择。直流断路器的额定电流按充电装置额定输出选择，即

式中：In—直流断路器的额定电流，A；

Kk—可靠系数，取1.2；

Im—充电装置额定输出电流，A。（2）断路器电磁操动机构的合闸回路直流断路器的选择，且过载脱扣时间大于固有合闸时间。

式中In—直流断路器的额定电流，A；

Kc2—配合系数，取0.3；

Ic1—断路器电磁操作机构的合闸电流，A。

（3）控制、保护、信号回路直流断路器的选择。

式中：In—直流断路器的额定电流，A；

Kc—配合系数，取0.8；

Icc—控制负荷计算电流，A；

Icp—保护负荷计算电流，A；

Ics—信号负荷计算电流，A。

（4）直流分电屏电源回路直流断路器的选择。1)直流断路器的额定电流按直流分电屏上全部用电回路的计算电流之和选择，即

综合以上两方面数据不难看出，农村地区的老年人群是健康素养水平最低的人群。我国农村老龄化问题严峻，老年健康贫困风险更大。健康扶贫可以克服精准扶贫中扶贫要求难以实行的缺点，通过合理的政策设计和策略选择，有针对性地提升贫困者的脱贫能力，实现贫困者健康能力提升与农村整体健康帮扶的有机结合是目前健康扶贫优选之策。